Для связи в whatsapp +905441085890

Движение несвободной материальной точки

Движение несвободной материальной точки

В технических задачах большое значение имеют вопросы движения материальной точки, перемещения которой стесняются связями. Сюда относятся задачи о движении материальной точки по кривой и по поверхности.

Движение материальной точки по кривой.

Наиболее просто представляется движение материальной точки по кривой. Ее положение на кривой определяется всего одним параметром и для полного определения движения точки достаточно определить закон изменения этого параметра со временем.

Рассмотрим движение материальной точки по гладкой материальной кривой Движение несвободной материальной точки, предполагая, что кривая может со временем менять свою форму и положение относительно системы отсчета Движение несвободной материальной точки, в которой определены силы, действующие на материальную точку. Кроме активных сил на точку будут действовать еще и силы реакции связи. Так как кривая гладкая, то силы реакции не будут препятствовать перемещению точки по кривой, и полная реакция кривой будет ортогональна к кривой.

Будем сначала предполагать, что кривая задана в пространстве, определяемом системой отсчета Движение несвободной материальной точки уравнениями

Движение несвободной материальной точки

т. е. представляется как геометрическое место точек пересечения двух поверхностей. Пусть Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки—нормали, проведенные в точке Движение несвободной материальной точки соответственно к поверхностям Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки. Вектор Движение несвободной материальной точки будет коллинеарен с вектором градиента к поверхности Движение несвободной материальной точки и его проекции будут пропорциональны частным производным

Движение несвободной материальной точки

Вектор Движение несвободной материальной точки имеет соответственно проекции, пропорциональные частным производным

Движение несвободной материальной точки

Любая нормаль к кривой Движение несвободной материальной точки будет лежать в плоскости нормален Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки. Обозначая через Движение несвободной материальной точки силу реакции кривой Движение несвободной материальной точки на материальную точку, будем иметь

Движение несвободной материальной точки

Полагая, что на точку действует еще активная сила Движение несвободной материальной точки получим уравнения движения точки

Движение несвободной материальной точки

Эти уравнения называются уравнениями Лагранжа первого рода.

а) Теорема живых сил. Умножая уравнения движения соответственно на Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки и складывая их, получим в левой части

Движение несвободной материальной точки

В правой же части будем иметь

Движение несвободной материальной точки

Точка движется в соответствии с наложенными на нее связями, а координаты точки в каждый момент времени удовлетворяют уравнениям поверхностей

Движение несвободной материальной точки

представляющих собой тождества по времени. Дифференцируя эти тождества, будем иметь

Движение несвободной материальной точки

и окончательно получим

Движение несвободной материальной точки

или после умножения на теорему живых сил представим в виде

Движение несвободной материальной точки

Уравнение получает простой вид, когда связи, наложенные на точку, не зависят явно от времени. Тогда

Движение несвободной материальной точки

и уравнение запишется следующим образом:

Движение несвободной материальной точки

В результате получаем, что если связи, наложенные на материальную точку, не зависят явно от времени, то теорема живых сил получает такой же вид, как и для свободной материальной точки. Если, кроме того, активные силы обладают силовой функцией, зависящей только от координат, т. е. существует функция Движение несвободной материальной точки, удовлетворяющая условиям

Движение несвободной материальной точки

то правая часть уравнения живых сил будет представлять собой полный дифференциал от функции Движение несвободной материальной точки, и уравнение получит вид

Движение несвободной материальной точки

отсюда сразу же получаем первый интеграл уравнений движения— интеграл живых сил

Движение несвободной материальной точки

Постоянная живых сил Движение несвободной материальной точки определяется из начальных условий. Мы получаем следующую теорему.

Теорема. Если связи, наложенные на материальную точку, вынужденную оставаться на материальной кривой, не зависят явно от времени, а действующие на точку активные силы обладают силовой функцией, то уравнения движения материальной точки допускают существование первого интеграла — интеграла живых сил.

Качественное исследование движения

Положение материальной точки на кривой может быть определено одним параметром — длиной дуги кривой. Поэтому для решения задачи о движении материальной точки по кривой достаточно всего одного уравнения движения, вместо которого можно принять интеграл живых сил, если только он существует.

Рассмотрим задачу о движении тяжелой материальной точки Движение несвободной материальной точки с массой Движение несвободной материальной точки по неподвижной замкнутой кривой с непрерывно меняющейся касательной (рис. 160). В рассматриваемом случае связи, наложенные на материальную точку, не зависят явно от времени, а действующие силы обладают силовой функцией. Поэтому будет существовать интеграл живых сил

Движение несвободной материальной точки
Движение несвободной материальной точки

Поскольку ось Движение несвободной материальной точки направлена вертикально вверх, получим

Движение несвободной материальной точки

Положив Движение несвободной материальной точки перепишем интеграл в виде

Движение несвободной материальной точки

Из этого соотношения видим, что скорость обращается в нуль только на горизонтальной плоскости

Движение несвободной материальной точки

Обозначим эту плоскость через Движение несвободной материальной точки. Если через Движение несвободной материальной точки обозначить проекцию точки Движение несвободной материальной точки на плоскость Движение несвободной материальной точки, то для скорости получим значение

Движение несвободной материальной точки

откуда видно, что скорость определяется расстоянием точки Движение несвободной материальной точки от плоскости Движение несвободной материальной точки.

Может оказаться, что плоскость Движение несвободной материальной точки не имеет общих точек с кривой Движение несвободной материальной точки. Если плоскость Движение несвободной материальной точки «выше» кривой, то скорость нигде не обращается в нуль, и точка будет двигаться сколь угодно долго по кривой. Ниже кривой плоскость Движение несвободной материальной точки не может быть расположена, так как правая часть равенства Движение несвободной материальной точки должна быть неотрицательна.

Предположим, что кривая Движение несвободной материальной точки пересекает плоскость Движение несвободной материальной точки в точках Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки. Обозначая через Движение несвободной материальной точки длину дуги, отсчитываемую от точки Движение несвободной материальной точки, будем иметь

Движение несвободной материальной точки

откуда

Движение несвободной материальной точки

Уравнение кривой позволяет определить

Движение несвободной материальной точки

а тогда в предыдущем уравнении можно разделить переменные

Движение несвободной материальной точки

Пусть точка начинает свое движение из положения Движение несвободной материальной точки. Обозначим длину дуги Движение несвободной материальной точки через Движение несвободной материальной точки. Обозначая через Движение несвободной материальной точки дугу, определяющую положение точки в некоторый момент времени, и рассматривая Движение несвободной материальной точки как функцию Движение несвободной материальной точки, разложим Движение несвободной материальной точки в ряд Тэйлора в окрестности точки Движение несвободной материальной точки

Движение несвободной материальной точки

Если производная от Движение несвободной материальной точки по Движение несвободной материальной точки в точке Движение несвободной материальной точки отлична от нуля, то разложение Движение несвободной материальной точки будет начинаться с членов первого порядка малости относительно Движение несвободной материальной точки, а для величины Движение несвободной материальной точки получим выражение

Движение несвободной материальной точки

Для точек, лежащих ниже плоскости Движение несвободной материальной точки, всегда будем иметь при этом

Движение несвободной материальной точки

Рассмотрим интеграл

Движение несвободной материальной точки

который определяет время движения точки из положения Движение несвободной материальной точки в положение Движение несвободной материальной точки. Этот интеграл является несобственным, так как подынтегральная функция

Движение несвободной материальной точки

при Движение несвободной материальной точки неограниченно возрастает. На основании признака Коши при Движение несвободной материальной точки интеграл будет сходиться, если функция Движение несвободной материальной точки является бесконечно большой порядка Движение несвободной материальной точки по сравнению с Движение несвободной материальной точки, и будет расходиться, если Движение несвободной материальной точки будет порядка Движение несвободной материальной точки по сравнению с Движение несвободной материальной точки.

Если в точке Движение несвободной материальной точки первые Движение несвободной материальной точки производных от функции Движение несвободной материальной точки обращаются в нуль, то

Движение несвободной материальной точки

т. е. функция Движение несвободной материальной точки будет иметь порядок Движение несвободной материальной точки. При Движение несвободной материальной точки интеграл сходится, а при Движение несвободной материальной точки интеграл расходится. В первом случае время, необходимое для достижения точки Движение несвободной материальной точки, определяется сходящимся интегралом. После достижения точки Движение несвободной материальной точки движущаяся материальная точка возвращается к положению Движение несвободной материальной точки которое она достигает со скоростью Движение несвободной материальной точки и далее движется к точке Движение несвободной материальной точки . Движение в этом случае будет иметь колебательный характер. Во втором случае, когда Движение несвободной материальной точки

Движение несвободной материальной точки

движущаяся точка будет неограниченно приближаться к точке Движение несвободной материальной точки, никогда ее не достигая.

Положение материальной точки на кривой определяется всего одним параметром. Такое движение называют однопараметрическим. Если действующие на точку силы обладают силовой функцией, то движение будет происходить в соответствии с интегралом живых сил. Для изображения состояния движения материальной точки удобно воспользоваться понятием фазовой плоскости, т. е. плоскости, на которой переменные Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки рассматриваются как декартовы координаты точки. Каждая точка фазовой плоскости изображает определенное состояние материальной точки, поэтому такую точку называют изображающей. При движении материальной точки изображающая точка будет описывать некоторую кривую, которая называется фазовой траекторией и не является действительной траекторией движения. Скорость движения изображающей точки называется фазовой скоростью, которая не является скоростью настоящей материальной точки.

Если определить силовую функцию как Движение несвободной материальной точки, то интеграл живых сил

Движение несвободной материальной точки

будет определять семейство фазовых траекторий на фазовой плоскости. Задание начального состояния движения материальной точки определяет Движение несвободной материальной точки и однозначно определяет фазовую траекторию точки. Семейство фазовых траекторий является одно-параметрическим семейством. Фазовые траектории, соответствующие различным начальным условиям (различным Движение несвободной материальной точки), между собой не пересекаются, что следует из условия единственности решения уравнений движения. Движение изображающей точки по траектории происходит по часовой стрелке, так как в точках, где Движение несвободной материальной точки координата Движение несвободной материальной точки должна возрастать при движении изображающей точки. Состоянию покоя могут соответствовать только точки, находящиеся на оси Движение несвободной материальной точки, причем фазовые траектории пересекаются с осью Движение несвободной материальной точки под прямым углом. Точки, в которых обращаются в нуль Движение несвободной материальной точки и производная Движение несвободной материальной точки, называются особыми точками фазовой плоскости. В особых точках скорость изображающей точки равна нулю. Все эти точки находятся на оси Движение несвободной материальной точки. Зная совокупность фазовых траекторий, можно видеть всю картину возможных движений при различных начальных условиях.

Перепишем интеграл живых сил в виде

Движение несвободной материальной точки

где Движение несвободной материальной точки. При помощи этого интеграла легко можно построить фазовые траектории. В самом деле, нетрудно видеть, что все фазовые траектории симметричны относительно оси Движение несвободной материальной точки. Геометрическим местом точек, где касательные к фазовым кривым горизонтальны, будут точки, определяемые из уравнения

Движение несвободной материальной точки

за исключением, быть может, особых точек. Можно предложить следующий способ построения фазовых траекторий. Построим сначала график функции Движение несвободной материальной точки (рис. 161). Пусть некоторые начальные значения определяют постоянную Движение несвободной материальной точки. Построим горизонтальную прямую Движение несвободной материальной точки. Разность Движение несвободной материальной точки определяет Движение несвободной материальной точки. Если провести другую прямую Движение несвободной материальной точки, то получим другую фазовую траекторию. В результате такого построения на фазовой плоскости получим континуум замкнутых кривых, вложенных одна в другую и охватывающих выродившуюся в точку фазовую траекторию. Особая точка здесь соответствует положению равновесия материальной точки.

Особая точка типа «центр» будет соответствовать устойчивому положению равновесия материальной точки. Особая точка седлового типа соответствует неустойчивому состоянию равновесия. Нетрудно видеть, что в первом случае особая точка соответствует максимуму силовой функции, а в случае седловой точки будем иметь минимум силовой функции. Фазовые траектории с самопересечением называются сепаратрисами.

Математический маятник

В качестве примера рассмотрим движение материальной точки по окружности радиуса Движение несвободной материальной точки. Положение точки на окружности определим центральным углом Движение несвободной материальной точки (рис. 162). Тогда

Движение несвободной материальной точки
Движение несвободной материальной точки
Движение несвободной материальной точки

так что

Движение несвободной материальной точки

отсюда находим

Движение несвободной материальной точки

Если наинизшее положение является начальной точкой, тогда, интегрируя, получим

Движение несвободной материальной точки

Выполним замену переменной Движение несвободной материальной точки и положим

Движение несвободной материальной точки

Так как при Движение несвободной материальной точки, а при Движение несвободной материальной точки и, кроме того,

Движение несвободной материальной точки

то

Движение несвободной материальной точки

Таким образом, время движения материальной точки (четверть периода) выражается через эллиптический интеграл первого рода. Но выражение

Движение несвободной материальной точки

можно разложить в ряд

Движение несвободной материальной точки

и тогда задача сведется к вычислению интегралов типа

Движение несвободной материальной точки

Отсюда для периода получим

Движение несвободной материальной точки

Если амплитуда колебаний Движение несвободной материальной точки достаточно мала, то в разложении для периода колебаний можно пренебрегать членами, содержащими Движение несвободной материальной точки. Приближенное значение периода в этом случае будет

Движение несвободной материальной точки

Если период вычисляется по этой формуле, то уже при амплитуде в 20° ошибка периода достигает 0,8%, при Движение несвободной материальной точки, a при Движение несвободной материальной точки. Для математического маятника, длина которого Движение несвободной материальной точки, при амплитуде 90° ошибка периода достигает 1 сек.

Циклоидальный маятник

Нидерландский математик и механик Христиан Гюйгенс (1629—1695) изобрел маятник, период колебаний которого не зависит от амплитуды колебаний (изохронный маятник). Оказалось, что период не зависит от амплитуды, если точка движется по циклоиде.

Циклоида представляет собой кривую, которую описывает точка обода круга, катящегося по неподвижной прямой (рис. 163).

Движение несвободной материальной точки

Пусть циклоида имеет горизонтальное основание, расположена в вертикальной плоскости и обращена своей вогнутостью вверх. За ось Движение несвободной материальной точки примем неподвижную горизонтальную прямую, касающуюся циклоиды в нижней точке, ось Движение несвободной материальной точки направим вертикально вверх. Уравнение циклоиды можно параметрически представить в виде

Движение несвободной материальной точки

откуда

Движение несвободной материальной точки

скорость точки

Движение несвободной материальной точки

Применяя интеграл живых сил

Движение несвободной материальной точки

получим

Движение несвободной материальной точки

Пусть при Движение несвободной материальной точки тогда Движение несвободной материальной точки и интеграл живых сил приобретает вид

Движение несвободной материальной точки

или

Движение несвободной материальной точки

Полагая

Движение несвободной материальной точки

получим

Движение несвободной материальной точки

откуда будем иметь

Движение несвободной материальной точки

т. е. время движения точки до самого низшего положения не зависит от начального положения точки (от амплитуды).

Определение реакции

Если для изучения движения точки по кривой применить естественные уравнения движения, то будем иметь одно уравнение, определяющее само движение точки, и два уравнения для определения реакции

Движение несвободной материальной точки

Первое из этих уравнений эквивалентно теореме живых сил и приводит к интегралу живых сил, если выполнены условия существования последнего.

Пример:

Шарик, масса которого равна Движение несвободной материальной точки, нанизан на горизонтальную проволочную окружность радиуса Движение несвободной материальной точки. Зная коэффициент трения Движение несвободной материальной точки. определить, какую начальную скорость нужно сообщить шарику, чтобы он сделал по окружности один полный оборот.

Решение:

На точку действуют три силы: сила тяжести, нормальная реакция и сила трения. Составим уравнения движения точки

Движение несвободной материальной точки

Последние два уравнения дают модуль полной реакции

Движение несвободной материальной точки

При помощи этого соотношения приведем первое уравнение движения к виду

Движение несвободной материальной точки

Разделяя переменные, будем иметь

Движение несвободной материальной точки

Но

Движение несвободной материальной точки

При

Движение несвободной материальной точки

а при

Движение несвободной материальной точки
Движение несвободной материальной точки

Движение материальной точки по поверхности

Вторым важным для приложений случаем движения несвободной материальной точки является случай движения точки по поверхности.

Предположим, что в своем движении материальная точка все время остается на некоторой гладкой поверхности

Движение несвободной материальной точки
Движение несвободной материальной точки

которая стесняет ее перемещения. Форма и положение поверхности могут изменяться со временем, а сама поверхность оказывает воздействие на точку. Это воздействие можно определить некоторой силой, которую называют силой реакции. Она не препятствует перемещению точки по поверхности и направлена по нормали к поверхности (рис. 164), так как по предположению поверхность является гладкой. Аналитически это условие можно представить в виде

Движение несвободной материальной точки

Движение точки полностью определяется двумя силами: активной силой Движение несвободной материальной точки и силой реакции Движение несвободной материальной точки, а уравнения движения имеют вид

Движение несвободной материальной точки

Неизвестные величины Движение несвободной материальной точки можно заменить одной неизвестной величиной Движение несвободной материальной точки, после чего уравнения перепишутся следующим образом:

Движение несвободной материальной точки

Уравнение Движение несвободной материальной точки связывает координаты точки и является уравнением связи. Три уравнения движения вместе с уравнением связи полностью определяют движение материальной точки. Сами уравнения называются уравнениями Лагранжа с множителями.

Теорема живых сил

При изучении движения несвободной материальной точки большое значение имеют общие теоремы динамики материальной точки, и в первую очередь теорема живых сил.

Если точка вынуждена оставаться на поверхности

Движение несвободной материальной точки

и определен закон движения точки, то ее координаты являются некоторыми функциями времени, после подстановки которых в уравнение связи, последнее становится тождеством. Дифференцируя это тождество по времени, будем иметь

Движение несвободной материальной точки

Здесь Движение несвободной материальной точки — проекции скорости точки на декартовы оси координат в действительном движении точки.

Чтобы получить теорему живых сил, умножим каждое из уравнений движения соответственно на Движение несвободной материальной точки и сложим результат

Движение несвободной материальной точки

все это преобразуется к виду

Движение несвободной материальной точки

и в результате получаем теорему живых сил для материальной точки, движущейся по поверхности.

Теорема. Изменение живой силы материальной точки равно работе заданных сил на действительном перемещении точки и некоторому дополнительному члену

Движение несвободной материальной точки

представляющему работу сил реакций связи на действительном перемещении точки.

Если поверхность неподвижна и не изменяет своей формы, то

Движение несвободной материальной точки

и теорема живых сил приобретает такой же вид, как и для свободной материальной точки, т. е.

Движение несвободной материальной точки

Если, кроме того, активные силы обладают силовой функцией, то будет существовать интеграл живых сил

Движение несвободной материальной точки

Для существования интеграла живых сил достаточно, чтобы связи не зависели явно от времени и активные силы обладали силовой функцией.

Естественные уравнения движения точки по поверхности

Положение материальной точки на поверхности определяется двумя параметрами. Для нахождения зависимости этих параметров от времени необходимо иметь по крайней мере два дифференциальных уравнения движения. Одной теоремы живых сил теперь уже оказывается недостаточно. Уравнения движения в декартовых координатах часто оказываются очень сложными, поэтому приходится искать другие пути решения задачи о движении.

Предположим, что уравнение поверхности, на которой вынуждена оставаться материальная точка, не содержит явно времени. Точка tn в своем движении по поверхности опишет некоторую траекторию, полностью расположенную на этой поверхности. Рассматривая уравнения движения в проекциях на естественные оси координат (рис. 165), замечаем, что касательная к траектории будет расположена в касательной плоскости к поверхности, а нормальная реакция будет давать проекции только на нормаль и бинормаль

Движение несвободной материальной точки

Если активная сила на точку не действует, т. е. Движение несвободной материальной точки, то из первого уравнения находим

Движение несвободной материальной точки

следовательно, точка будет двигаться по поверхности с постоянной скоростью. Из последнего уравнения движения следует, что Движение несвободной материальной точки, а потому реакция будет расположена в соприкасающейся плоскости, т. е. нормаль к траектории будет совпадать с нормалью к по-

Движение несвободной материальной точки

верхности. Кривые, обладающие этим свойством, называются геодезическими. Таким образом, если на точку, движущуюся по поверхности, активные силы не действуют, то точка движется по геодезической кривой с постоянной по величине скоростью.

Движение точки по поверхности вращения. Теорема Клеро

В качестве примера рассмотрим движение материальной точки по поверхности вращения. Пусть ось Движение несвободной материальной точки — ось симметрии поверхности. Если на точку не действуют активные силы, то точка будет двигаться по геодезической кривой Движение несвободной материальной точки, образующей с меридианом угол Движение несвободной материальной точки (рис. 166), причем движение происходит с постоянной по величине скоростью. Единственной силой, действующей на точку, будет сила нормальной реакции поверхности Движение несвободной материальной точки, направленная ортогонально к поверхности. Линия действия этой силы пересекает ось Движение несвободной материальной точки. Из теоремы об изменении момента количества движения точки относительно оси Движение несвободной материальной точки будем иметь

Движение несвободной материальной точки

Подставляя сюда явное выражение для момента количества движения, получим

Движение несвободной материальной точки

Из постоянства массы и скорости отсюда сразу следует

Движение несвободной материальной точки

т. е. вдоль геодезической линии поверхности вращения произведение радиуса параллели на синус азимута есть величина постоянная. В этом соотношении заключается теорема Клеро (1713—1765).

Геодезические линии поверхности вращения легко определить, если взять за систему отсчета цилиндрическую систему координат. В этой системе дифференциал дуги

Движение несвободной материальной точки

Пусть поверхность задана уравнением

Движение несвободной материальной точки

Из интеграла живых сил при отсутствии активных сил получаем

Движение несвободной материальной точки

Подставляя сюда Движение несвободной материальной точки из уравнения поверхности Движение несвободной материальной точки

Движение несвободной материальной точки

будем иметь

Движение несвободной материальной точки

Из интеграла площадей имеем

Движение несвободной материальной точки

Определяя отсюда Движение несвободной материальной точки и подставляя в интеграл живых сил, получил

Движение несвободной материальной точки

и после разделения переменных приходим к уравнению

Движение несвободной материальной точки

интегрирование которого дает

Движение несвободной материальной точки

Эти формулы определяют геодезическую кривую на поверхности вращения.

Замечания. 1. Уравнение Движение несвободной материальной точки исключает из рассмотрения цилиндрические поверхности вращения Движение несвободной материальной точки. В последнем случае Движение несвободной материальной точки, откуда

Движение несвободной материальной точки

Исключая при помощи интеграла площадей время, найдем

Движение несвободной материальной точки

интегрируя найденное уравнение, получим

Движение несвободной материальной точки

Это и есть уравнение винтовой линии.

  • Можно уравнения движения точки отнести к специальным осям Движение несвободной материальной точки имеющим начало в движущейся точке. Здесь Движение несвободной материальной точки — единичный вектор касательной к траектории точки, направленный в сторону движения; Движение несвободной материальной точки — единичный вектор внутренней нормали к поверхности, а единичный вектор Движение несвободной материальной точки расположен в касательной плоскости перпендикулярно к Движение несвободной материальной точки так, чтобы векторы Движение несвободной материальной точки образовывали правую систему (рис. 167). Обозначим через Движение несвободной материальной точки угол между направлением главной нормали траектории Движение несвободной материальной точки и вектором Движение несвободной материальной точки. Проектируя уравнения движения на оси Движение несвободной материальной точки получим
Движение несвободной материальной точки

Первое и второе уравнения определяют движение точки по поверхности, последнее же служит для определения реакции поверхности.

В целях дальнейшего преобразования уравнений рассмотрим произведение

Движение несвободной материальной точки

Скалярное произведение Движение несвободной материальной точки в силу ортогональности векторов равно нулю, так что

Движение несвободной материальной точки

Для всех траекторий, имеющих одну и ту же касательную в точке, будем иметь

Движение несвободной материальной точки
Движение несвободной материальной точки

Для траектории, расположенной в плоскости нормального сечения, имеем Движение несвободной материальной точки. Если обозначить через Движение несвободной материальной точки радиус кривизны нормального сечения, то получим

Движение несвободной материальной точки

т. е. радиус кривизны произвольной кривой на поверхности вращения по своей абсолютной величине равен проекции на ее соприкасающуюся плоскость радиуса кривизны нормального сечения, имеющего с траекторией общую касательную (теорема Менье). Теперь уравнения движения можно представить в виде

Движение несвободной материальной точки

где Движение несвободной материальной точки — радиус кривизны нормального сечения, а величина

Движение несвободной материальной точки

называется радиусом геодезической кривизны (рис. 168).

Сферический маятник

Рассмотрим задачу о движении тяжелой материальной точки по поверхности сферы. Связь эта может быть реализована в виде нерастяжимого и несжимаемого стержня, не имеющего массы, соединяющего точку Движение несвободной материальной точки началом координат. На точку действует сила тяжести Движение несвободной материальной точки и сила реакции Движение несвободной материальной точки, направленная вдоль стержня. Если реакция всегда направлена к центру, то связь можно осуществить при помощи нерастяжимой идеальной нити. Уравнение связи имеет вид

Движение несвободной материальной точки

и не содержит явно времени. Ось Движение несвободной материальной точки направим вертикально вверх. Активная сила — сила тяжести — допускает существование силовой функции

Движение несвободной материальной точки

а значит, существует интеграл живых сил

Движение несвободной материальной точки

который можно представить в виде

Движение несвободной материальной точки

Момент активных сил и сил реакции связи относительно оси Движение несвободной материальной точки равен нулю, поэтому из теоремы об изменении момента количества движения относительно оси Движение несвободной материальной точки имеем

Движение несвободной материальной точки

где Движение несвободной материальной точки секторная скорость точки.

Задачу удобнее решать в цилиндрических координатах Движение несвободной материальной точки В этих координатах интеграл живых сил и интеграл площадей получают вид

Движение несвободной материальной точки

Уравнение связи в цилиндрических координатах получает вид

Движение несвободной материальной точки

откуда дифференцированием находим

Движение несвободной материальной точки

Переписывая теперь интеграл живых сил

Движение несвободной материальной точки

преобразуем его к виду

Движение несвободной материальной точки

окончательно получим

Движение несвободной материальной точки

Полученное уравнение позволяет найти закон изменения координаты Движение несвободной материальной точки. Перепишем его в виде

Движение несвободной материальной точки

где

Движение несвободной материальной точки

Разделяя переменные и интегрируя, получим

Движение несвободной материальной точки

Так как Движение несвободной материальной точки представляет собой многочлен третьей степени относительно Движение несвободной материальной точки, то стоящий слева интеграл является эллиптическим. После того, как будет найдено tt из последнего соотношения можно определить и уравнение траектории: с этой целью с помощью интеграла площадей исключим из дифференциального уравнения движения время и получим дифференциальное уравнение траектории

Движение несвободной материальной точки

Как видно, задача об определении траектории также сводится к эллиптическим квадратурам.

Качественное исследование движения сферического маятника

Если вектор начальной скорости точки лежит в вертикальной плоскости, то движение будет происходить в той же плоскости. Для этого случая Движение несвободной материальной точки, т. е. Движение несвободной материальной точки. Следовательно, задача сводится к обыкновенному математическому маятнику, который изучался выше.

Если Движение несвободной материальной точки, то, как видно из квадратур, Движение несвободной материальной точки будет монотонной функцией относительно Движение несвободной материальной точки. Для изучения закона изменения функции Движение несвободной материальной точки рассмотрим график (рис. 169) функции

Движение несвободной материальной точки

Нетрудно заметить, что

Движение несвободной материальной точки

Для больших по модулю значений Движение несвободной материальной точки

Движение несвободной материальной точки

и знак функции определяется знаком первого члена разложения

Движение несвободной материальной точки

На интервале Движение несвободной материальной точки, находится по крайней мере один корень Движение несвободной материальной точки уравнения Движение несвободной материальной точки. Координаты, определяемые полученными выше дифферециальными уравнениями, будут принимать вещественные значения только при условии, что подкоренное выражение Движение несвободной материальной точки неотрицательно. Пусть сначала начальное значение Движение несвободной материальной точки веществен-

Движение несвободной материальной точки

но и отлично от нуля. Тогда Движение несвободной материальной точки, и имеются действительные корни Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки уравнения Движение несвободной материальной точки в промежутках Движение несвободной материальной точки. Действительное движение происходит на интервале, где Движение несвободной материальной точки неотрицательно, т. е. между корнями Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки. Представим полином Движение несвободной материальной точки в виде

Движение несвободной материальной точки
Движение несвободной материальной точки

а так как Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки по модулю меньше Движение несвободной материальной точки, то, следовательно, числитель положителен. Но Движение несвободной материальной точки, поэтому

Движение несвободной материальной точки

отсюда следует, что по меньшей мере один из корни Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки отрицателен, т. е. во всяком случае

Движение несвободной материальной точки

Корень Движение несвободной материальной точки может быть как положительным, так и отрицательным (рис. 170). Пусть для определенности при Движение несвободной материальной точки координата Движение несвободной материальной точки убывает. Тогда перед корнем надлежит взять знак минус, и Движение несвободной материальной точки будет уменьшаться до тех пор, пока не достигнет значения Движение несвободной материальной точки. Из интеграла площадей следует, что угол Движение несвободной материальной точки изменяется лишь в одну сторону, Движение несвободной материальной точки может изменить знак лишь когда Движение несвободной материальной точки обращается в нуль, т. е. при Движение несвободной материальной точки или Движение несвободной материальной точки. Если в начальный момент Движение несвободной материальной точки то Движение несвободной материальной точки является корнем уравнения Движение несвободной материальной точки мы имеем критический случай. Дифференциальное уравнение для Движение несвободной материальной точки

Движение несвободной материальной точки

можно преобразовать к виду

Движение несвободной материальной точки

Если Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки простые корни, то всюду Движение несвободной материальной точки, и тогда будет происходить изменение координаты Движение несвободной материальной точки. Если Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки — кратные корни, то Движение несвободной материальной точки. В этом случае точка описывает окружность в плоскости, перпендикулярной к оси Движение несвободной материальной точки.

Определение реакции

Реакция не входит в выражение для первых интегралов, и для ее определения следует исходить не из первых интегралов, а из самих уравнений движения материальной точки. Пусть Движение несвободной материальной точки тогда, когда реакция направлена к центру. Тогда уравнения движения в проекциях на декартовы оси координат запишутся в виде

Движение несвободной материальной точки

а интеграл живых сил

Движение несвободной материальной точки

Умножая уравнения движения соответственно на Движение несвободной материальной точки и складывая, получим

Движение несвободной материальной точки
Движение несвободной материальной точки

Дифференцируя по времени уравнение связи

Движение несвободной материальной точки

будем иметь

Движение несвободной материальной точки

Повторное дифференцирование дает

Движение несвободной материальной точки

В результате приходим к следующему уравнению для определения реакции:

Движение несвободной материальной точки

Отсюда видно, что в задаче о движении сферического маятника реакция кроме постоянной Движение несвободной материальной точки зависит только от координаты Движение несвободной материальной точки. Следовательно, на одинаковых параллелях реакции будут численно равны. Если при определении реакции получим во все время движения Движение несвободной материальной точки что всегда выполняется при

Движение несвободной материальной точки

то маятник можно осуществить при помощи гибкой нерастяжимой нити. Если же во время движения Движение несвободной материальной точки обращается в нуль, то связь перестает быть натянутой, и после освобождения точки от связи приходим к новой механической задаче — задаче о движении свободной материальной точки.

Малые колебания сферического маятника

Запишем уравнения связи для сферического маятника в виде

Движение несвободной материальной точки

откуда для отношения Движение несвободной материальной точки получим значение

Движение несвободной материальной точки

и будем рассматривать малые отклонения маятника от вертикали, проходящей через начало координат. Тогда величина

Движение несвободной материальной точки

будет оставаться малой по сравнению с единицей, и приближенно можно считать, что

Движение несвободной материальной точки

Верхнее положение точки является положением равновесия, но это положение неустойчиво, поскольку нижняя параллель всегда ниже экватора. Третье уравнение движения дает

Движение несвободной материальной точки

При этом в положении равновесия

Движение несвободной материальной точки

откуда

Движение несвободной материальной точки

Если это условие не выполняется, то в силу того, что

Движение несвободной материальной точки

a Движение несвободной материальной точки будем иметь Движение несвободной материальной точки Тогда из уравнения движения имеем

Движение несвободной материальной точки

Но производная здесь не может неограниченно возрастать со временем, если Движение несвободной материальной точки остается ограниченной величиной. Координаты Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки точки Движение несвободной материальной точки определяются приближенными уравнениями

Движение несвободной материальной точки

Принимая во внимание, что Движение несвободной материальной точки, представим эти уравнения в виде

Движение несвободной материальной точки

Положив Движение несвободной материальной точки получим общее решение системы уравнения движения

Движение несвободной материальной точки

Не нарушая общности, положим, что при точка находится на оси Движение несвободной материальной точки, а начальная скорость направлена перпендикулярно к этой оси. Тогда будем иметь

Движение несвободной материальной точки

и соответствующее частное решение запишется в виде

Движение несвободной материальной точки

Исключая время, получим уравнение,

Движение несвободной материальной точки

которое представляет собой уравнение траектории проекции точки на плоскость Движение несвободной материальной точки, т. е. движение проекции точки происходит по эллиптической траектории.

Пример:

Тяжелая материальная точка движется по внутренней поверхности прямого кругового конуса, вершина которого обращена вниз, ось симметрии вертикальна, угол при вершине равен Движение несвободной материальной точки. В начальный момент расстояние точки от вершины конуса равно Движение несвободной материальной точки, начальная скорость равна Движение несвободной материальной точки и направлена перпендикулярно к образующей конуса. Определить траекторию точки и давление, оказываемое ею на поверхность конуса.

Решение:

Положение точки на поверхности конуса можно задать двумя координатами. В качестве таких координат выберем расстояние точки от вершины конуса Движение несвободной материальной точки и угол Движение несвободной материальной точки, который образует вертикальная плоскость Движение несвободной материальной точки, проходящая через ось симметрии конуса и точку Движение несвободной материальной точки, с неподвижной плоскостью Движение несвободной материальной точки. Рассматривая движение точки как сложное, состоящее из прямолинейного относительного движения в плоскости Движение несвободной материальной точки и переносного вращения вместе с плоскостью Движение несвободной материальной точки вокруг оси Движение несвободной материальной точки, будем иметь

Движение несвободной материальной точки

Ha точку действуют только сила тяжести и нормальная реакция гладкой поверхности, поэтому существует интеграл живых сил

Движение несвободной материальной точки

Кроме того, действующие силы не создают момента относительно оси Движение несвободной материальной точки, поэтому существует интеграл площадей

Движение несвободной материальной точки

Постоянные Движение несвободной материальной точки и Движение несвободной материальной точки выражаются через начальные данные

Движение несвободной материальной точки

Дна первых интеграла позволяют определить траекторию точки на поверхности конуса. В самом деле, исключая время, получим

Движение несвободной материальной точки
Движение несвободной материальной точки

Откуда уравнение траектории получается в квадратурах

Движение несвободной материальной точки

Для определения давления точки на поверхность конуса можно было бы воспользоваться естественными уравнениями движения, но такой путь оказывается сложным, поскольку он требует знания траектории точки. Поэтому рассмотрим векторное уравнение движения точки

Движение несвободной материальной точки

Давление точки на поверхность равно по величине и противоположно по направлению силе реакции Движение несвободной материальной точки, которая зависит от активных сил, действующих на точку, и ускорения, с которым движется точка. Для определения давления требуется знать проекцию ускорения точки на нормаль к поверхности конуса. Определяя ускорение при помощи теоремы Кориолпса, заметим, что относительное ускорение направлено по образующей конуса, а в переносном движении точка движется по окружности, плоскость которой ортогональна к оси Движение несвободной материальной точки и имеет касательную Движение несвободной материальной точки и нормальную Движение несвободной материальной точки составляющие ускорения (рис 171). Нормальная составляющая ускорения Движение несвободной материальной точки направлена ортогонально к оси симметрии конуса, а по величине равна

Движение несвободной материальной точки

Добавочное ускорение Движение несвободной материальной точки коллинеарно с направлением ускорения Движение несвободной материальной точки и численно равно

Движение несвободной материальной точки

На нормаль к поверхности дает проекцию только составляющая ускорения Движение несвободной материальной точки (рис. 172). Проектируя уравнение движения на нормаль к поверхности конуса, получим

Движение несвободной материальной точки

Определив Движение несвободной материальной точки из интеграла площадей

Движение несвободной материальной точки

Эта лекция взята со страницы, где размещены все лекции по предмету теоретическая механика:

Предмет теоретическая механика

Эти страницы возможно вам будут полезны:

Движение материальной точки под действием центральных сил
Движение точки в сопротивляющейся среде
Относительное движение материальной точки
Принцип Даламбера